Микрокосм: E. coli и новая наука о жизни Циммер Карл

«Роскошный рост»

Escherichia coli обитала в организме наших предков на протяжении миллионов лет еще тогда, когда предки эти вовсе не были людьми. Но только в 1885 г. вид Homo sapiens и его жильцы были официально представлены друг другу. Немецкий педиатр по имени Теодор Эшерих занимался выделением бактерий из пеленок здоровых младенцев и среди обнаруженных им видов заметил палочковидный микроб, демонстрировавший «невероятный, роскошный рост». Этот микроорганизм прекрасно рос в любой пище — молоке, картофеле, крови.

Современная биология тогда только зарождалась, и Эшерих мало что мог сказать о новой бактерии помимо того, что она существует. В 1880–е гг. ученые практически ничего не знали о том, что происходит внутри E. coli — как именно молоко, картофель или кровь превращаются в живую материю. Ученые сходились во мнении, что живой организм подобен биологической печи, где сжигается топливо — пища и производятся тепло, отходы и органические молекулы. Но о том, нужна ли для этих превращений загадочная «искра жизни» или это всего лишь разновидность обычных химических процессов, которые можно воспроизвести в любой лаборатории, шли горячие споры.

Бактерии во времена Эшериха представлялись особенно загадочными. Казалось, что эти существа принципиально отличаются от животных и других многоклеточных организмов. К примеру, человеческая клетка по размеру в тысячи раз превосходит E. coli. У нее сложная внутренняя «география»: в центре клетки находится большой мешочек, получивший название ядра, в котором располагаются гигантские образования — хромосомы. У бактерий же ученые не смогли обнаружить не только ядер, но и вообще почти ничего. Бактерии казались крохотными безликими мешочками с жизнетворной слизью, зависшими гдето на границе между жизнью и нежизнью.

Эшерих, врач — педиатр с передовым мышлением, принял радикально новую точку зрения на устройство бактерий: они вовсе не пассивные мешочки со слизью, а живые существа, способные инфицировать людей и вызывать болезни. Как педиатра его больше всего тревожило заболевание, которое он назвал «самым убийственным из всех кишечных болезней», — диарея, или в просторечии понос. В XIX в. младенческая смертность от диареи в Германии была ужасающей, и врачи не понимали почему. Эшерих был убежден (и справедливо), что малышей убивают бактерии. Но обнаружить патогенные микробы было очень непросто, потому что в кишечнике даже самых здоровых младенцев полным — полно бактерий. Прежде чем распознать микроба — убийцу, Эшериху надо было отбросить все безвредные виды микроорганизмов.

«Казалось бы, попытка проверить и отделить случайно обнаруженные бактерии — бессмысленное и сомнительное занятие», — писал он. Но ученый все же попытался это сделать и в процессе исследований наткнулся на вроде бы безобидного обитателя кишечника, которого мы сегодня называем E. coli.

Эшерих опубликовал краткое описание E. coli в одном из немецких медицинских журналов вместе с небольшим групповым портретом палочковидных бактерий. Его открытие не вызвало никакого фурора. После смерти Эшериха в 1911 г. на его надгробном камне не выгравировали об этом ни слова. E. coli была всего лишь одной из строчек в длинном списке видов бактерий, которые в те годы обнаруживали ученые. Тем не менее именно это открытие оказалось главным вкладом Эшериха в науку.

С тех пор невероятный, роскошный рост E. coli наблюдали в лабораториях всего мира. Пытаясь разобраться в механизмах этого роста и таким образом понять фундаментальные основы жизни, ученые проводили тысячи экспериментов. Конечно, в развитии современной биологии сыграли свою роль и другие виды. Плодовая мушка дрозофила и кресс водяной, уксусная нематода и хлебная плесень также поделились с нами своими секретами. Но история E. coli поразительно и неразрывно переплелась с историей современной биологии. Когда ученые едва ли не до драки спорили по поводу очередного фундаментального вопроса жизни — из чего состоят гены и у всех ли живых организмов есть гены, — то главным свидетелем и экспертом в этих спорах зачастую выступала именно E. coli. Разобравшись, как E. coli обеспечивает свой роскошный рост — как она выживает, питается и размножается, — биологи сделали огромный шаг к пониманию механизма жизни как таковой. В 1969 г. биолог Макс Дельбрюк, получая Нобелевскую премию за открытия, сделанные при изучении вирусов, инфицирующих E. coli, заявил: «Мы можем открытым текстом сказать: “Эта загадка жизни разрешена”».

Единство жизни

Первоначально Эшерих назвал свою бактерию Bacterium coli communis — бактерия толстой кишки обыкновенная. В 1918 г., через семь лет после смерти Эшериха, ученые переименовали бактерию в его честь: Escherichia coli. К моменту получения нового имени бактерия Эшериха успела начать новую жизнь. Уже тогда микробиологи стали миллиардами выращивать ее в своих лабораториях.

В начале XX в. ученые пытались «разобрать» живые клетки на части, чтобы понять, из чего они сделаны и как превращают сырье в живую материю. Одни ученые исследовали клетки мышечной ткани коровы, другие — сперму лосося. Многие работали с бактериями, в том числе и с E. coli. Во всех исследованных живых организмах они обнаруживали один и тот же базовый набор молекул. Основное внимание ученые сосредоточили на белках. Оказалось, что некоторые белки придают живому форму и структуру — это коллаген в коже или кератин в конских копытах. Другие белки, получившие название ферментов, побуждают определенные молекулы вступать в химические реакции. Одни ферменты отщепляют атомы от молекул, другие, наоборот, связывают молекулы друг с другом.

Существует безумное количество разнообразных белков, но их объединяет одно общее фундаментальное свойство. Все белки, где бы они ни образовались — в организме человека или в бактериальной клетке, — построены из одних и тех же «деталей» — 20 небольших молекул, именуемых аминокислотами. И работают белки в бактериях примерно так же, как и в человеческом организме. Ученые с удивлением обнаружили, что одни и те же ферменты часто отвечают за одни и те же химические реакции у всех без исключения видов.

«От слона до маслянокислой бактерии — всюду одно и то же!» — заявил в 1926 г. голландский биохимик Альберт Клюйвер.

Может быть, биохимические основы и одинаковы у всех живых организмов, но и различия между ними огромны. Самое важное из них — наследственность. В начале XX в. генетики открыли законы, в соответствии с которыми животные, растения и грибы передают потомкам свои гены. Но бактерии, такие как E. coli, казалось, не хотели играть по общим правилам. Более того, на первый взгляд у них вообще не было генов.

Большую часть информации о наследственности генетики в то время получали из лабораторий, наполненных мушками и гнилыми бананами. Томас Хант Морган, биолог из Колумбийского университета, разводил плодовую мушку дрозофилу — Drosophila melanogaster, чтобы выяснить, как родительские признаки передаются потомкам. Морган назвал факторы, определяющие те или иные признаки, генами, хотя о том, что такое на самом деле гены, не имел никакого представления. Он знал, однако, что свои гены потомку передают и мать, и отец, и что иногда ген может не проявиться в первом поколении, но вновь «всплыть на поверхность» в следующем. Он мог скрестить красноглазую мушку с белоглазой и получить целое поколение исключительно красноглазых мушек. Но если он скрещивал этих гибридных мушек между собой, то у некоторых мушек второго поколения вновь появлялись белые глаза.

Морган и его студенты искали в клетках дрозофилы молекулы, которые могли бы иметь какоето отношение к этим таинственным генам. Их внимание привлекли странные структуры в ядре клетки — хромосомы. После специальной краски хромосомы становятся похожи на мятые полосатые чулки. При этом ученые обнаружили, что полоски на хромосомах дрозофилы столь же характерны и уникальны, как и вездесущие ныне штрихкоды. Большая часть хромосом парная, при этом одна хромосома в паре унаследована от матери, другая — от отца. Сравнив их «полоски», Морган и его студенты показали, что от поколения к поколению они могут меняться. В процессе развития половых клеток дрозофилы парные хромосомы подходят друг к другу вплотную и обмениваются сегментами. От того, какие именно сегменты унаследует мушка — потомок, зависит и комбинация генов, которую она получит.

Закономерности наследования выглядели почти как какието математические абстракции. Джордж Бидл, один из аспирантов Моргана, решил вернуть гены с высот абстракции на землю и попытался выяснить в точности, как именно гены определяют цвет волос и другие признаки. Вместе с биохимиком Эдвардом Тейтемом Бидл попытался проследить путь от генов дрозофилы до молекул, из которых состоит окрашивающий ее глаза пигмент. Однако этот эксперимент оказался слишком сложным. Бидл и Тейтем отказались от плодовых мушек в пользу более простого вида — хлебной плесени Neurospora crassa.

Конечно, у хлебной плесени нет таких очевидных признаков, как глаза и крылья; тем не менее она синтезирует многочисленные ферменты, часть из которых отвечает за производство аминокислот. Чтобы посмотреть, каким образом гены плесени управляют синтезом этих ферментов, Бидл и Тейтем подвергали плесень воздействию рентгеновского излучения. Ученые знали, что у личинок мух при подобном воздействии некоторые гены мутируют, и эти мутации приводят к появлению новых признаков — лишних крылышек или другой окраски глаз, которые мутанты могут передавать следующим поколениям.

Теперь Бидл и Тейтем занялись производством мутантов хлебной плесени. Некоторые из них теряли способность синтезировать определенные аминокислоты, потому что лишались ключевого фермента. Но если Бидл и Тейтем затем скрещивали мутантную плесень с обычной, то некоторые потомки такого союза вновь обретали эту способность. В 1941 г. ученые сделали вывод: за каждым ферментом хлебной плесени стоит один ген.

Вырисовывалась смутная, но непротиворечивая картина того, как работают гены — по крайней мере гены животных, растений и грибов. Но бактериям в этой картине, казалось, места не было. Становилось все очевиднее, что гены находятся в хромосомах, а у бактерий хромосомы, на первый взгляд, вообще отсутствовали. Если у них и есть гены, то в те времена ученые почти не надеялись их найти. Гены дрозофилы удавалось изучать благодаря тому, что мушки размножаются половым путем. В ходе этого процесса хромосомы обмениваются участками, и гены попадают к потомкам в разных сочетаниях. На бактериях, однако, ученые не могли проводить подобных экспериментов, потому что они не имеют пола. На первый взгляд бактерия просто растет, а затем делится пополам. Многие исследователи рассматривали бактерии просто как мягкие мешочки с ферментами — принципиально иной тип жизни.

Со временем выяснилось, однако, что вся жизнь на Земле, включая и бактериальную, основана на одних и тех же фундаментальных принципах. Раскрыть ученым многие тайны этого единства было суждено бактерии E. coli, которая стала для биологов одним из самых мощных инструментов исследования жизни.

Превращение обычной бактерии в инструмент науки началось с простого вопроса. Эдвард Тейтем заинтересовался, применимо ли к бактериям открытое им в экспериментах с плесенью правило «один ген — один фермент». Он решил провести такой же опыт, как с хлебной плесенью, но на этот раз облучить не плесень, а бактерии. Для эксперимента Тейтем выбрал штамм E. coli с обозначением К-12. Он был выделен в 1922 г. из организма больного дифтерией в штате Калифорния, и с тех пор культура этого штамма поддерживается в Стэнфордском университете для занятий по микробиологии.

Выбор Тейтема был обусловлен практическими соображениями. Подобно большинству других штаммов E. coli, К-12 безвреден. Кроме того, E. coli способна самостоятельно производить все необходимые ей аминокислоты и множество других молекул. Для питания ей почти ничего не нужно, кроме сахара, аммиака и некоторых микроэлементов. Если E. coli использует многочисленные ферменты, чтобы превращать пищу в живую материю, то мишеней для рентгеновского облучения у Тейтема должно было оказаться достаточно. Даже если бы облучение привело к появлению всего нескольких мутантных бактерий нужного типа, благодаря «роскошному росту», которым знаменита E. coli, ученый смог бы их увидеть. Ведь одна — единственная бактериальная клетка E. coli способна очень быстро, всего за сутки, дать колонию, видимую невооруженным глазом.

Итак, Тейтем обрабатывал колонии E. coli мощным рентгеновским излучением, способным убить 9999 из каждых 10000 бактерий. Среди немногочисленных выживших он отыскивал мутантов, способных расти, только если их обеспечивали какойто определенной аминокислотой. С такой поддержкой мутанты могли даже размножаться, но их потомство наследовало тот же дефект. По существу, Тейтем получил такой же результат, что и в опытах с хлебной плесенью. Было похоже, что за каждым ферментом E. coli тоже скрывается один- единственный ген.

Это было серьезное открытие, но Эдвард Тейтем подходил к оценке его значения с осторожностью. Да, получалось, что у бактерии тоже есть гены, но наверняка он этого утверждать не мог. Лучший способ доказать наличие у биологического вида генов — скрестить мужские и женские особи и изучить их потомство. Но E. coli, как ни печально, беспола и в брак не вступает. «Поэтому понятие “ген” можно использовать по отношению к бактериям лишь в самом общем смысле», — писал Тейтем.

Положение несколько изменилось, когда в лаборатории Тейтема в Йельском университете появился мрачный молодой студент. Джошуа Ледербергу было всего 20 лет, но амбиции у него были серьезные: выяснить, есть ли у бактерий половое размножение. Во время службы в армии в годы Второй мировой войны Ледербергу довелось работать в военно — морском госпитале на Лонг — Айленде. В частности, он занимался исследованиями малярийного паразита, завезенного в Америку моряками, воевавшими в Тихом океане. Он наблюдал за этими простейшими и видел, что те иногда размножаются делением, а иногда образуют женские и мужские формы и вступают в половой процесс. Что если у бактерий тоже время от времени происходит половой акт, просто никто этого до сих пор не замечал? И пускай другие высмеивают его идею как необоснованную фантазию, Ледерберг твердо решил, что игра стоит свеч, и, как он сам говорил позже, «сделал ставку на бактериальный секс».

Услышав про эксперименты Тейтема, Ледерберг понял, что их вполне можно приспособить к поиску полового размножения у бактерий. У Тейтема к тому времени уже собралась хорошая коллекция мутантных форм E. coli штамма К-12, в том числе и двойных мутантов — бактерий, которым для выживания требовалась постоянная подкормка двумя химическими соединениями. Ледерберг рассудил, что если смешать две разновидности двойных мутантов, то они, возможно, сумеют через половой акт передать друг другу работающие версии поврежденных генов.

Две E. coli занимаются «бактериальным сексом»

Ледерберг выбрал для эксперимента мутантный штамм, не способный самостоятельно производить аминокислоту метионин и один из витаминов группы В — биотин. Второй выбранный им штамм не мог производить две другие аминокислоты — треонин и пролин. Ледерберг поместил оба штамма в бульон, насыщенный всеми четырьмя необходимыми веществами, так чтобы мутантные бактерии могли расти и размножаться. В течение нескольких недель они жили вместе в бульоне, где у них были все условия для гипотетического «секса».

Через некоторое время Ледерберг взял пробы получившейся бактериальной культуры и перенес их в свежие чашки Петри.

Теперь он поместил бактерии в среду, где отсутствовали все четыре питательных вещества, которые те не умели синтезировать самостотельно: треонин, пролин, метионин и биотин. Ни один из исходных мутантных штаммов не смог бы выжить в такой среде. И если бы их потомки были всего лишь копиями предков, размышлял Ледерберг, они тоже должны были прекратить рост и погибнуть.

Несколько первых недель принесли ученому лишь разочарования — погибшие пробы, мертвые колонии, но в конце концов Ледерберг получил в одной из чашек живую и процветающую колонию E. coli. Какаято часть бактерий обрела способность производить все четыре аминокислоты. Ледерберг сделал вывод о том, что их предки должны были обменяться генами в ходе некоего процесса, сходного с половым актом[1]. Кроме того, в ходе этого процесса они доказали, что обладают генами.

В последующие годы открытие Ледерберга позволило ученым разводить E. coli как плодовых мушек; в результате им удалось изучить ее гены намного подробнее, чем раньше. Двенадцать лет спустя, в «преклонном» возрасте 33 лет, Ледерберг (совместно с Тейтемом и Бидлом) получил Нобелевскую премию по медицине. Но в 1946 г., увидев в чашке Петри вожделенные точки колоний, развившихся из бактерий, которые появились в результате полового размножения, Ледерберг позволил себе пометить результаты опыта в своей записной книжке одним — единственным словом: «Ура!»

Паразит и его хозяин

Пока Ледерберг наблюдал, как E. coli занимается «сексом», другие ученые наблюдали, как эта бактерия болеет, и узнавали при этом не менее важные вещи о природе жизни.

Первым оценил, насколько информативна может быть больная E. coli, не биолог, а физик. Макс Дельбрюк первоначально учился у Нильса Бора и других пионеров квантовой физики. В 1930–е гг. казалось, что при помощи нескольких красивых уравнений можно разрешить многие великие загадки Вселенной. Но природа не собиралась уступать. Физиков поражало, что гены, необходимые для создания любого живого существа, будь то кенгуру или, скажем, мох печёночник, упакованы в одну — единственную клетку. Дельбрюк решил сделать темой своих исследований жизнь, или, говоря конкретнее, гены живых существ.

Ген, предположил Дельбрюк, представляет собой полимер, образованный с помощью многократного повторения одних и тех же атомных структур. Чтобы раскрыть законы, которым подчиняется этот полимер, Дельбрюк приехал в США и поступил в лабораторию Моргана, где работали с мушками. Однако, будучи физиком, он отверг весь тот клубок сложностей, к которому приводил выбор дрозофилы в качестве объекта исследования. Ему требовалась другая, более простая система, изучение которой могло бы дать гораздо больше информации. По счастливому совпадению Эмори Эллис, еще один сотрудник лаборатории Моргана, занимался изучением вирусов, инфицирующих E. coli.

Вирусы, способные заразить E. coli, были слишком малы; Дельбрюк и Эллис не могли их видеть. Насколько тогда было известно, эти вирусы проникают в своих хозяев — бактерий и размножаются внутри них; затем убивают микроорганизм и выходят наружу в поисках новых жертв. Казалось, что вирусы — потомки в точности похожи на предков, и это позволяло предположить, что они тоже могут обладать генами. Дельбрюк и Эллис решили выяснить историю болезни E. coli, вызываемой вирусами- бактериофагами.

При изучении бактериофагов ученые могли опираться только на косвенные свидетельства. Стоило добавить вирусы в чашку с E. coli, как они проникали внутрь бактерий и начинали там размножаться. Новые бактериофаги выходили наружу, оставляя за собой бренные останки хозяина, и заражали другие бактерии. Через несколько часов культура бактерий в чашке оказывалась испещрена прозрачными лужицами — следами безжалостного побоища. «О присутствии бактериальных вирусов можно судить по погубленным бактериям, — говорил Дельбрюк, — так же как по исчезновению куска торта можно судить о присутствии маленького мальчика».

Ученые располагали лишь косвенными признаками присутствия бактериофагов, зато признаков этих было много. Целая чашка могла заполниться миллиардами новых вирусов всего за несколько часов. Необъятные возможности разработанной Дельбрюком и Эллисом методики привлекли к ним небольшую стайку молодых ученых. Они называли себя приверженцами «Церкви фагов», с папой Дельбрюком во главе. Эту молодые люди сумели наглядно продемонстрировать, что бактериофаги, инфицирующие E. coli, не все одинаковы. Некоторые вирусы паразитировали лишь на определенных штаммах бактерии, другие штаммы им не давались. Вызывая у вирусов мутации, исследователям удавалось добиться, что эти вирусы начинали заражать новые штаммы, причем способность поражать E. coli передавалась по наследству. Стало ясно, что у вирусов тоже есть гены, причем гены, которые, по идее, должны быть очень похожи на гены хозяина, то есть E. coli.

На самом деле гены хозяина и паразита настолько похожи, что некоторые разновидности вирусов способны как бы встроиться в хромосомы E. coli и замаскироваться. Эти, как их назвали, умеренные бактериофаги могли проникнуть в клетки E. coli и, по существу, исчезнуть[2]. Носители бактериофага вели себя нормально, росли и делились точно так же, как их не зараженные вирусом собратья. Тем не менее ученые обнаружили, что бактериофаги умудрялись уцелеть внутри E. coli, которая исправно передавала их геном следующим поколениям бактерий. Чтобы «оживить» бактериофаг, ученым достаточно было облучить чашку с зараженной E. coli ультрафиолетом. Бактерии тут же лопались, выпуская на волю сотни новых вирусов, которые пускались на поиски новых хозяев, оставляя за собой прозрачные лужицы разрушения. В общем, двое сливались воедино, чтобы при случае вновь разделиться надвое.

Из чего сделаны гены?

В танце — слиянии E. coli и ее вирусов приверженцы «Церкви фагов» сумели отыскать ключи к некоторым великим загадкам жизни. А для них не было вопроса более великого, как вопрос о том, из чего сделаны гены.

До 1950–х гг. большинство ученых склонялось к мысли, что гены состоят из белков. Прямых доказательств получить не удавалось, но серьезных косвенных свидетельств было немало. Уже тогда становилось ясно, что гены есть у всех живых организмов, даже у бактерий и вирусов. Белки не менее вездесущи. При изучении плодовых мушек ученые определили, что их гены располагаются в хромосомах; а хромосомы содержат белки. Было ясно, что молекулы в генах должны быть сложными — ведь в генах какимто неведомым образом зашифрована информация о жизни во всех ее проявлениях. При этом ученые знали, что структура белка часто бывает весьма замысловатой. Оставалось только выяснить, как именно белки исполняют функции генов.

Первый серьезный вызов этой общей, хотя и не слишком определенной, позиции появился в 1944 г., когда один врач во всеуслышание заявил, что гены на самом деле состоят не из белка. Освальд Эйвери, работавший в больнице Института Рокфеллера, занимался исследованием бактерии Pneumococcus. У этой бактерии существует как безвредная форма, так и болезнетворная, вызывающая пневмонию. Более ранние эксперименты дали основания считать, что именно гены отвечают за различное поведение этих штаммов. Если ученые убивали опасный штамм, а затем вводили убитые бактерии мышам, то мыши не заболевали. Но если убитые бактерии опасного штамма смешивали с живыми бактериями безвредного штамма Pneumococcus, то инъекция такой смеси убивала мышей. Безвредный штамм какимто образом превращался в болезнетворный, и их потомки также сохраняли патогенность. Иными словами, генетический материал переходил из умерщвленных бактерий патогенного штамма к живым бактериям.

Эйвери и его коллеги стали выделять из убитых бактерий одно химическое соединение за другим и добавлять их в чашки с непатогенными штаммами бактерий. Они обнаружили, что интересующее их превращение обеспечивает только одно вещество. И это был не белок, а соединение под названием дезоксирибнуклеиновая кислота, или сокращенно ДНК.

О существовании ДНК ученые знали уже несколько десятилетий, но не представляли себе, зачем она нужна. В 1869 г. швейцарский биохимик Иоганн Мишер обнаружил в гное на повязках раненых солдат богатое фосфором вещество, которое получило название нуклеиновой кислоты. Позже ученые выяснили, что существует две почти идентичные нуклеиновые кислоты: дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая (РНК)[3]. Каркас ДНК состоит из остатков фосфорной кислоты, соединенных с остатками сахара дезоксирибозы. К нему прикрепляются четыре типа богатых углеродом и азотом соединений — так называемые азотистые основания.

Было ясно, что ДНК играет в живом организме важную роль — ведь ученые находили ее практически в любых клетках. Ее обнаруживали даже в хромосомах, где, как уже было известно, располагались гены. Но многие исследователи считали, что ДНК просто обеспечивает хромосоме жесткую основу, каркас — возможно, она обвивается вокруг генов, как манжета. Мало кто думал, что ДНК имеет достаточно сложную структуру, чтобы быть материальным носителем генов. ДНК, как выразился однажды Дельбрюк, «такое глупое вещество!»

Глупое или нет, но Эйвери сделал вывод: ДНК — именно то, из чего состоят гены. Но его эксперименты не смогли убедить закоренелых скептиков:

Вирус вводит свою ДНК в клетку E. coli

коллеги решили, что ДНК у него была недостаточно хорошо очищена и, возможно, содержала примеси какихто белков.

Чтобы восстановить репутацию ДНК, потребовалось еще целое десятилетие исследований на E. coli и ее вирусах. Пока Эйвери исследовал пневмококк в поисках генов, адепты дельбрюковой «Церкви фагов» пытались увидеть вирусы E. coli. Надо сказать, что вирусы в представлении ученых были уже не математическими абстракциями, а вполне материальными маленькими существами. При помощи недавно изобретенного прибора — электронного микроскопа — Дельбрюк и его коллеги обнаружили, что бактериофаги заключены в оболочку элегантной геометрической формы. Закрепившись на поверхности E. coli, фаг прокалывал клеточную стенку бактерии с помощью специальной белковой иголки и вводил в своего нового хозяина некую субстанцию. Гены вируса проникали в клетку E. coli, а пустая оболочка оставалась на ее поверхности.

Жизненный цикл вирусов, инфицирующих E. coli, дал ученым возможность провести простой и красивый эксперимент. Альфред Херши и Марта Чейз, исследователи из частной лаборатории в Колд — Спринг — Харбор в штате Нью — Йорк, пометили радиоактивными изотопами ДНК бактериофагов. Позволив этим вирусам внедриться в клетки E. coli, они затем с помощью высокоскоростного центрифугирования удалили с бактерий их пустые оболочки. Теперь радиоактивное излучение регистрировалось в бактериях, а не в покинутых оболочках.

Затем Херши и Чейз провели обратный эксперимент, в котором радиоактивные метки вводились не в ДНК, а в белок вируса. В этом случае после инфицирования E. coli радиоактивность сохраняли только пустые оболочки. Так через десять лет после эксперимента Эйвери Херши и Чейз подтвердили его вывод: гены состоят из ДНК.

Среди тех, кого больше других заинтересовали новые результаты, был молодой американский биолог Джеймс Уотсон. Его приняли в лоно «Церкви фагов» в возрасте всего лишь 20 лет, и при подготовке диссертации он, как и его коллеги, с энтузиазмом облучал вирусы E. coli рентгеновским излучением. Он прекрасно усвоил общепринятое мнение о том, что гены сделаны из белков, но собственные исследования заставили молодого ученого обратить внимание на ДНК. В эксперименте Херши и Чейз Уотсон увидел «новое убедительное доказательство того, что первичным генетическим материалом является ДНК».

Однако, чтобы понять, как ДНК может служить генетическим материалом, необходимо было как следует разобраться в структуре этого вещества. К этому времени Уотсон уже работал в Кембриджском университете, где быстро объединил усилия с Фрэнсисом Криком — британским физиком, тоже мечтавшим раскрыть тайну жизни. Вместе они тщательно изучили все данные о ДНК, собранные к тому времени учеными, и попытались разобраться, как располагаются по отношению друг к другу фосфаты, сахара и азотистые основания. В феврале 1953 г. они внезапно поняли структуру этой молекулы. Молодые люди собрали из стальных пластинок и стержней гигантскую модель, похожую на скрученную в спираль лесенку из сахаров и фосфатов, перекладинами которой служили азотистые основания.

Модель была красива, проста и красноречива. Она, казалось, сама готова была рассказать, как работают гены. Обе нити ДНК построены из миллиардов звеньев — нуклеотидов, расположенных линейно, как буквы в строке текста. Каждый нуклеотид состоит из фосфата и сахара дезоксирибозы, к которому крепится одно из азотистых оснований. Четырем типам азотистых оснований соответствует четыре типа нуклеотидов. Сам текст может иметь бесконечное число значений в зависимости от порядка расположения нуклеотидов. Благодаря этому ДНК может вместить информацию, необходимую для строительства любого белка любого биологического вида.

Структура ДНК помогла Уотсону и Крику понять, каким образом она может репродуцироваться. Они предположили, что нити ДНК расходятся, после чего к каждой из них добавляется новая нить — этот процесс получил название «репликация». Синтез новой ДНК упрощает тот факт, что азотистые основания способны соединяться между собой лишь вполне определенным образом: у каждого типа оснований есть один — единственный возможный партнер. В результате получается идеальная копия первоначальной молекулы.

Теория получилась красивая, а вот серьезных доказательств не хватало. Макса Дельбрюка, в частности, беспокоила «проблема распутывания». Реально ли разделить двойную спираль на две отдельные нити и достроить каждую из них до полноценной молекулы ДНК, не получив взамен спутанный клубок непонятно чего? Дельбрюк попытался найти ответ на этот вопрос, но потерпел неудачу. Успех пришел в 1957 г. к другим — к магистранту Мэтью Мезельсону и научному сотруднику доктору Фрэнку Сталю из Калифорнийского технологического института. С помощью E. coli они поставили эксперимент, который получил известность как самый красивый в биологии.

Мезельсон и Сталь поняли, что репликацию ДНК можно отследить, если выращивать E. coli на особой диете. E. coli для роста и размножения обязательно нужен азот, поскольку этот элемент входит в состав любого нуклеотида. Обычный атом азота содержит 14 протонов и 14 нейтронов, но существуют и другие, более легкие или более тяжелые изотопы азота, в которых нейтронов меньше или больше. Мезельсон и Сталь добавляли в питательную среду E. coli аммиак, содержащий тяжелый азот с 15 нейтронами в каждом атоме. Через некоторое время, когда у бактерии сменилось множество поколений, они извлекли и поместили в центрифугу немного ДНК. Измерив расстояние до точки, куда переместилась ДНК при вращении центрифуги, они вычислили ее массу и выяснили, что ДНК Е, coli, выращенной на тяжелом азоте, как и ожидалось, тяжелее ДНК нормальной E. coli.

Затем Мезельсон и Сталь провели тот же эксперимент чуть иначе. Они отделили немного E. coli с тяжелым азотом в колбу, где бактерии могли питаться нормальным азотом с 14 нейтронами в атоме. Дав бактерии совсем немного времени — всего на один цикл деления, — ученые извлекли ее ДНК и вновь поместили в центрифугу. Их целью была проверка теории Уотсона и Крика, которая давала на этот случай вполне четкие предсказания. Согласно этой теории при делении микроорганизмов внутри каждого из них тяжелые нити ДНК должны были разделиться и разойтись, а новые нити достраивались бы к ним уже из легких атомов. Таким образом, ДНК в новом поколении E. coli должна была получиться наполовину легкой, наполовину тяжелой — и образовать при центрифугировании полосу ровно посередине между тяжелой и легкой ДНК. Так и получилось.

Может быть, Уотсон и Крик построили красивую модель. Но для того, чтоы другие ученые признали их теорию верной и приняли модель на вооружение, потребовался красивый эксперимент на E. coli.

Универсальный код

Когда выяснилось, что у E. coli все же есть половой процесс, ученые впервые получили возможность ближе познакомиться с устройством хромосомы. Оказалось, что половой акт у E. coli протекает довольно своеобразно. Одна из бактерий выбрасывает нитевидный вырост, который называют половым пилем, и с его помощью подтягивает к себе партнера. В течение примерно полутора часов ее ДНК перетекает во второй микроорганизм. Эли Вольман и Франсуа Жакоб из Института Пастера поняли, что эту связь можно разорвать. Они смешивали мутантные штаммы и позволяли им какоето время конъюгировать, а затем помещали смесь в блендер. В зависимости от времени, которое было у бактерий для конъюгации, реципиент мог получить — а мог и не получить — ген, необходимый для выживания. Вольман и Жакоб измеряли, через какой промежуток времени гены проникают во вторую особь E. coli, и составляли таким образом генетическую карту. Выяснилось, что гены E. coli расположены на хромосоме, замкнутой в кольцо.

Ученые обнаружили, что наряду с главной хромосомой у E. coli есть дополнительные кольцевые ДНК, получившие название плазмид. Плазмиды несут гены и некоторые из этих генов используют для собственного воспроизводства. А есть плазмиды, которые несут гены, позволяющие им перемещаться из одного микроорганизма в другой. Например, у E. coli штамма К-12 в плазмидах содержатся гены, в которых закодированы половые пили. Сойдясь, бактерии обмениваются копиями плазмидной ДНК, а также частью главной хромосомы.

Пока одни ученые составляли генетическую карту E. coli, другие пытались понять, как именно закодированная в генах информация превращается в белки. В вашингтонском Институте Карнеги исследователи давали E. coli аминокислоты, меченные радиоактивными изотопами, — строительный материал для белков. Через некоторое время эти аминокислоты скапливались вокруг особых округлых образований — так называемых рибосом, случайным образом разбросанных внутри бактерии. Свободные аминокислоты входили в рибосому, а выходили из нее готовые белки. Но это означало, что какимто образом инструкции, зашифрованные в ДНК E. coli, должны «сообщать» рибосомам, какие именно белки следует делать.

Оказалось, что у E. coli есть для этого особые молекулы. На первом этапе синтеза белка некий фермент[4] должен прикрепиться к гену и проползти по всей его длине. При этом он выстраивает однонитчатую РНК — копию гена. Эта РНК, которую называют матричной, или информационной (мРНК), затем отправляется к рибосоме и доставляет свое генетическое послание.

Однако оставалось неясным, каким образом рибосома читает это послание. РНК, как и ДНК, содержит четыре типа нуклеотидов. Белки же, как известно, представляют собой комбинации 20 аминокислот. Ясно, что без «словаря» E. coli никак не смогла бы перевести инструкцию, записанную на языке генов, на язык белков.

В 1957 г. Фрэнсис Крик выдвинул гипотезу о том, что может представлять собой подобный «словарь». Он предположил, что каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов, получившей название кодона. Гипотеза Крика требовала экспериментальной проверки, и вскоре ученые из Национального института здоровья США Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи начали соответствующие опыты. Они тщательно растерли E. coli пестиком в ступке и разлили получившуюся массу по пробиркам. В каждую пробирку они добавили одну из аминокислот, а затем — синтезированную ими РНК, состоящую из нуклеотидов одного типа, с азотистым основанием урацилом (обнаруженным в РНК, но отсутствующим в ДНК)[5]. Таким образом, эта РНК содержала единственный повторяющийся много раз кодон. Ученые хотели посмотреть, опознает ли этот кодон одну из аминокислот.

В девятнадцати пробирках ничего не произошло. В двадцатой пробирке, содержавшей аминокислоту фенилаланин, — и только в ней — сформировался новый белок. Так Ниренберг и Маттеи перевели первое слово в словаре жизни — УУУ[6], которое обозначало фенилаланин. За несколько последующих лет им и другим ученым удалось полностью расшифровать генетический код E. coli.

Расшифровав код E. coli, Маршалл Ниренберг и его коллеги попытались сравнить E. coli с животными. Они наполнили пробирки разрушенными клетками морской свинки и лягушки и добавили в них РНК. Оказалось, что оба вида использовали при строительстве белков тот же рецепт, что и E. coli. В 1967 г. Ниренберг и его коллеги объявили об открытии «по существу, универсального кода».

Ниренберг стал одним из лауреатов Нобелевской премии на следующий год. Дельбрюк получил свою премию годом позже. Ледерберг, Тейтем и многие другие ученые, работавшие над E. coli, тоже получили приглашения в Стокгольм. Скромная кишечная палочка привела их всех к славе и способствовала созданию новой науки, объединяющей все формы жизни и известной сегодня как молекулярная биология. Жак Моно, еще один нобелевский лауреат из числа работавших с E. coli, перефразировал известное утверждение Альберта Клюйвера по — новому; многие ученые и сегодня повторяют вслед за ним:

«Что верно для E. coli, верно и для слона».

Облик живого

С рождением молекулярной биологии олицетворением и главным признаком живого стали гены. В 2000 г. президент США Билл Клинтон объявил о том, что ученые завершили составление рабочего черновика структуры человеческого генома — последовательности нуклеотидов ДНК человека. Он заявил: «Сегодня мы познаем язык, на котором Бог создал человека».

Однако сами по себе гены мертвы, а их инструкции бессмысленны. Если какимто образом извлечь хромосому из клетки E. coli, то вне организма белки синтезироваться не будут. ДНК не сможет репродуцироваться. Эта хрупкая петелька попросту распадется. Так что познание генов живого организма — всего лишь первая ступень познания того, что для организма значит быть живым.

Многие биологи посвятили свою научную деятельность вопросу о том, что значит быть живой конкретно для E. coli. Вместо того чтобы выбрать какойлибо иной вид и начинать все с нуля, эти ученые в своих исследованиях решили опереться на опыт предыдущих поколений исследователей. И такая стратегия привела к успеху. В 1997 г. была опубликована полная карта генома E. coli штамма К-12 с указанием расположения 4288 генов.

Благодаря накопленным за много лет знаниям о E. coli сегодня исследователю относительно несложно создать на ее основе мутантный штамм, у которого отсутствовал бы один из этих генов, а затем посмотреть по его поведению, чем управляет этот ген. И сегодня ученым известно назначение всех генов E. coli, за исключением примерно шестисот. Из сотен тысяч статей, посвященных E. coli, перед нами встает портрет живого существа, которое подчиняется законам и правилам, приложимым в той или иной форме к любому живому существу и к жизни вообще. Когда Жак Моно щеголял высказыванием о слоне и E. coli, он имел в виду лишь гены и белки. Но E. coli оказалась гораздо сложнее — и намного более похожа на нас, — чем могли предположить ученые его поколения.

Самый очевидный факт, который наблюдатель сразу замечает при взгляде на E. coli, — то, что ее вообще можно заметить. Это не туманное облачко молекул, а плотно заполненная упаковка, у которой есть внутренняя и наружная части. Вообще, границы жизни могут принимать самые разные формы. Человек обернут в мягкую кожу, а краб щеголяет в твердом наружном скелете. Секвойя отращивает снаружи кору, кальмар — слой плотной упругой ткани. E. coli окружена оболочкой толщиной всего лишь в несколько сотен атомов, но эту оболочку нив коем случае нельзя назвать простой. На самом деле она состоит из нескольких слоев, причем каждый из них обладает собственной тонкой структурой и выполняет сложную задачу.

Оболочка E. coli — клеточная стенка — представляет собой капсулу из углевод — белковых полимеров — пептидогликанов, взбитых, как нити сахарной ваты. Снаружи она покрыта сложно устроенной внешней мембраной, которая несет множество функций: к примеру, препятствует проникновению в клетку токсических веществ. Под слоем пептидогликанов располагается трехслойная цитоплазматическая мембрана обычной структуры. Эта мембрана не позволяет крупным молекулам проникнуть в клетку E. coli и удерживает внутри микроорганизма его собственные молекулы. Сама жизнь бактерии зависит от этих молекул, постоянно взаимодействующих между собой. Благодаря тому, что 60 млн молекул E. coli плотно упакованы, химические реакции в ней могут протекать быстро. Если бы внешнего барьера не было, молекулы разбрелись бы кто куда — и E. coli перестала бы существовать.

В то же время жизнь нуждается в связи с внешним миром. Любому организму нужно, чтобы извне к нему поступали необходимые для роста вещества; кроме того, кудато нужно выбрасывать ядовитые отходы. Если организм не сможет питаться и избавляться от отходов, он превратится в саркофаг. E. coli решает эту проблему при помощи сотен тысяч различных пор, канальцев и насосиков во внешней мембране. Каждое отверстие имеет специфическую форму и пропускает только определенные молекулы. Некоторые из них открываются перед нужными молекулами будто в ответ на пароль.

Однако проникнуть сквозь внешнюю мембрану недостаточно; это всего лишь половина пути. Пептидогликановый слой E. coli погружен в тонкую прослойку жидкости, отделяющую его внешнюю мембрану от внутренней, так называемую периплазму. Периплазма богата ферментами, способными обезвредить опасные молекулы, прежде чем те сумеют пройти сквозь внутреннюю мембрану. Эти ферменты также разрезают ценные молекулы на части, чтобы они прошли сквозь канальцы внутренней мембраны.

Одновременно с этим через другие канальцы E. coli выводит отходы своей жизнедеятельности. Таким образом, сквозь оболочку E. coli в обоих направлениях постоянно проходят различные вещества, но это не бурный и смертельно опасный поток, а упорядоченный ручеек тщательно отобранных веществ.

Несомненно, E. coli сумела изящно решить одну из универсальных проблем жизни. Но любые решения имеют тенденцию создавать новые проблемы. Изза конструкции внешних барьеров этот микроорганизм постоянно находится на грани взрыва. Молекулы воды достаточно малы, чтобы свободно проскальзывать сквозь его мембрану внутрь и наружу. Внутри E. coli много белков и других крупных молекул, и для воды места остается немного. Это означает, что в любой момент молекул воды, стремящихся проникнуть внутрь E. coli, больше, чем тех, которые стремятся выйти из нее наружу. Поступившие внутрь молекулы создают в бактериальной клетке E. coli огромное давление, в несколько раз превышающее атмосферное. Даже небольшое отверстие в оболочке может привести к взрыву микроорганизма. Если уколоть человека, пойдет кровь, но E. coli, получив укол, просто взорвется.

Надо сказать, что у E. coli есть свои способы борьбы с повышенным внутренним давлением. Один из них — тот самый пептидогликановый слой, или, как его еще называют, муреиновый мешок из переплетающихся, как сеть, молекул между внешней и внутренней мембранами. Этот корсет достаточно прочен, чтобы противостоять силе поступающей воды. Кроме того, E. coli посылает к мембране целую армию ферментов, которые устраняют любые повреждения молекул, вызванные воздействием кислот, радиоактивного излучения или других факторов. Чтобы расти, бактерия должна непрерывно перестраивать свои мембраны и муреиновый мешок, осторожно встраивая дополнительные молекулы и ни на мгновение не оставляя отверстий.

Проблема, с которой сталкивается E. coli, существенна и для нас. Клетки человеческого организма тщательно регулируют потоки веществ, проходящие через их стенки внутрь и наружу. Наши тела используют как барьер кожу, в которой есть, разумеется, отверстия — поры потовых желез, слуховые проходы, ротовое отверстие и т. п. Поврежденные и старые клетки кожи постепенно отшелушиваются, а подстилающие их новые растут и делятся. То же самое происходит с клетками слизистой оболочки, выстилающей пищеварительный тракт: по существу, это просто внутренняя кожа. Быстрая естественная смена клеток позволяет покровной ткани эффективно залечивать небольшие повреждения и защищать организм от инфекции. Но эта же быстрая смена клеток создает новую серьезную опасность. Всякий раз при делении клетки существует небольшой риск мутации и перерождения ее в раковую. Так что не удивительно, что рак кожи и прямой кишки относятся к наиболее распространенным формам рака. И человек, и E. coli вынуждены расплачиваться за защиту и сохранение формы.

Река, текущая вверх

Внешние барьеры и гены необходимы для жизни, но их одних далеко не достаточно. Поместите ДНК внутрь мембраны — и вы получите лишь пузырек, не имеющий ничего общего с жизнью. Живые существа должны поглощать молекулы разных веществ и энергию и превращать их в живую материю. Им необходим обмен веществ, или метаболизм.

Метаболизм построен из сотен химических реакций. Каждая из них по отдельности может быть очень проста. К примеру, какойнибудь фермент отнимает атом водорода у определенной молекулы. Но затем эту молекулу захватывает другой фермент, с помощью которого с ней происходят те или иные превращения, а дальше она включается в цепь все усложняющихся реакций: они могут пересекаться с другими цепями, ветвиться, замыкаться в кольцо. Первым живым существом, в чьем метаболизме ученым удалось разобраться до тонкостей, была E. coli.

На это у них ушла большая часть XX в. Они кормили бактерию радиоактивной пищей, чтобы затем отслеживать, какими путями в бактериальной клетке происходит движение атомов от молекулы к молекуле. Это была долгая и трудная работа. После того как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК, их фотография появилась в журнале Life: двое ученых, а между ними возвышался скелет молекулы ДНК. Фотографии исследователей, общими усилиями создавших схему метаболизма E. coli, не существует. Кроме того, подобная фотография в любом случае получилась бы неудачной: несколько сотен человек вокруг одной диаграммы, исчерченной множеством стрелок и напоминающей спутанный клок кошачьей шерсти. Но тот, кто умеет читать подобные диаграммы, увидит в метаболизме E. coli скрытую элегантность.

Метаболические реакции в клетках E. coli протекают не спонтанно — точно так же, как яйцо не варит себя само. На соединение атомов, как и на их разделение, требуется энергия. E. coli получает ее двумя способами. Во — первых, она умеет использовать мембраны как своего рода аккумулятор, во — вторых, извлекает энергию из пищи.

Среди мембранных канальцев у E. coli есть такие, которые выкачивают из микроорганизма положительно заряженные ионы водорода — протоны. По мере снижения концентрации протонов бактерия приобретает отрицательный заряд, притягивая находящиеся поблизости положительно заряженные частицы, которые проникают внутрь клетки через специальные канальцы, способные извлекать энергию из движения частиц. В сущности, эти частицы работают, как вода, вращающая мельничное колесо, но их действие основано на электрическом принципе. E. coli запасает извлеченную энергию в химических связях молекулы аденозинтрифосфата, или сокращенно АТФ.

Молекулы АТФ, плавающие в клетках E. coli, работают как своеобразные батарейки. Когда ферментам E. coli требуется дополнительная энергия для проведения той или иной реакции, они извлекают ее из АТФ. Последняя запасает энергию в межатомных связях. E. coli использует энергию, полученную с помощьюмембранного аккумулятора, чтобы выделить больше энергии из пищи. При помощи АТФ ферменты бактерии могут расщеплять сахара, разрушая связи между атомами; полученная энергия откладывается опять же в молекулах АТФ, число которых увеличивается. E. coli не высвобождает сразу всю энергию, содержащуюся в молекуле сахара, — ведь в этом случае большая часть ее ушла бы в тепло и пропала зря. Вместо того чтобы устраивать из сахаров энергетический фейерверк, E. coli точными хирургическими движениями «отрезает» кусочек за кусочком — так, чтобы высвободившуюся за один раз энергию можно было захватить и запасти в молекулах АТФ на будущее.

Часть получаемой энергии E. coli использует для строительства новых молекул. Помимо основного топлива — сахаров — ей требуются некоторые минералы. Каждого из них нужно чуть — чуть, но, чтобы добыть это ничтожное количество, бактерии приходится трудиться изо всех сил. Без железа, к примеру, E. coli жить не может, но железо — весьма дефицитный товар. Добыть его для E. coli очень непросто. В организме хозяина железо не валяется где попало — оно надежно спрятано внутри клеток, а то небольшое количество, что остается, обычно находится в связанном виде в молекулах, откуда его не такто просто извлечь. Чтобы обеспечить себе достаточное для выживания количество железа, E. coli приходится сражаться за него, строить специальные молекулы для его ловли — сидерофоры[7] — и выпускать их в окружающую среду. Находясь в свободном плавании, сидерофор иногда натыкается на железосодержащие молекулы. Он вытаскивает атом железа из молекулы и спешит вернуться в бактериальную клетку, воспользовавшись специальными канальцами. По такому канальцу в бактерию может пройти только сидерофор, причем с добычей — без атома железа обратный вход для него закрыт. Оказавшись внутри, сидерофор высвобождает свое сокровище.

Но железо, хотя и необходимо E. coli для жизни, одновременно может нести в себе опасность. Так, свободный атом железа, оказавшись внутри бактериальной клетки, может стать причиной образования перекиси водорода, а та, в свою очередь, атакует ДНК хозяйки. E. coli приходится защищать себя от такого варианта развития событий; для этого у нее есть белки, которые хватают железо сразу же по прибытии и прячут его в глубокие «карманы». Одна — единственная молекула такого белка может нести на себе 5000 атомов железа — и выдавать их по одному по мере надобности.

Железо — не единственная опасность, которой подвергает E. coli ее обмен веществ. Даже белки, которые бактерия создает сама, могут приобрести свойства токсинов. Воздействие кислот, радиоактивного излучения и других повреждающих факторов легко деформирует белок, лишив его способности правильно работать. Поврежденные молекулы вносят хаос в работу прекрасно отлаженного конвейера химических процессов, от которых зависит выживание E. coli. Такие поврежденные белки могут даже нападать на другие, нормальные белки. Защищаясь от самой себя, E. coli создает команду убийц — белков, единственной задачей которых является уничтожение старых белков. Белковая молекула, разрезанная на аминокислоты, становится источником сырья для строительства новых белков. Жизнь и смерть, питательные вещества и отравляющие вещества — все в клетке E. coli балансирует в тонком равновесии.

Кишечная палочка E. coli жонглирует железом, добывает энергию, перерабатывает сахара и другое сырье в сложные молекулы и даже создает собственные копии — и тем самым попирает, на первый взгляд, законы Вселенной. Во Вселенной, как известно, существует мощное стремление от порядка к беспорядку, которое называется энтропией. Так, изящные снежинки тают и превращаются в капельку воды, а чайные чашки рано или поздно бьются. А вот E. coli, кажется, противостоит целой Вселенной — собирает атомы в сложные структуры белков и генов и умудряется к тому же сохранять обретенную упорядоченность от поколения к поколению. Выглядит все это как река, текущая вверх.

Однако все не так страшно, и E. coli совсем не такая бунтарка, как может показаться. Она ведь живет не в изоляции от остальной Вселенной. Да, E. coli действительно снижает свою энтропию, но только за счет получения энергии извне. Упорядочивая себя, она увеличивает энтропию Вселенной за счет выделяемого тепла и отходов. Если аккуратно все посчитать, получится, что E. coli повышает энтропию, но сама умудряется при этом всегда оставаться на плаву.

Можно сказать, что метаболизм E. coli в определенном смысле символизирует жизнь в целом. Если разобраться, большинство живых существ получает энергию от солнца. Растения и фотосинтезирующие микроорганизмы поглощают свет и используют его энергию для роста. Представители других видов поедают тех, чье питание основано на фотосинтезе, а третьи виды, в свою очередь, поедают вторых. E. coli в этой пищевой пирамиде располагается относительно высоко и расщепляет готовые сахара, которые производят другие организмы. Саму ее, в свою очередь, тоже съедают, и ее молекулы становятся частью организма хищной бактерии, которую тоже ктонибудь съест. Потоки энергии порождают леса и другие экосистемы, и все они «сбрасывают» энтропию вовне, в остальную Вселенную. Солнечный свет попадает на планету, тепло излучается в пространство, и полная жизни планета — этакая Земля E. coli — поддерживает в этом потоке свое существование.

Куда же плыть?

Список необходимых для жизни условий все удлиняется. Живое существо хранит информацию в генах. Оно нуждается в защитных барьерах, чтобы сохранять жизнь и запасать энергию для добывания пищи, которая пойдет на строительство новой живой материи. Но если живое существо не сможет добыть пищу, долго оно не проживет. Все живое должно двигаться — лететь, ползти, плыть по течению, пускать усики вверх по водосточной трубе. А чтобы быть уверенными, что движение идет в правильном направлении, большинство живых существ должно решить, куда двигаться.

Разумеется, человек использует для принятия этого решения те миллиарды нейронов, которые находятся в головном мозге. Чувства поставляют мозгу реки информации, а мозг отзывается на них управляющими сигналами, которые контролируют движение тела. С другой стороны, у E. coli нет мозга. У нее вообще нет нервной системы. Мало того, E. coli в несколько тысяч раз меньше по размеру, чем любая нервная клетка человеческого организма. Тем не менее крошечные размеры не мешают ей воспринимать окружающий мир. Она способна собирать информацию и вырабатывать решения: например, решать, куда двигаться.

E. coli плавает, как неуклюжая подводная лодка. По сторонам ее вытянутого тела имеется с полдюжины пропеллеров. По внешнему виду каждый из них напоминает не корабельный винт, а скорее, длинный кнут, тянущийся за бактерией. У основания каждого хвостика (или жгутика, как их называют микробиологи) располагается гибкий крюк, прикрепленный к мотору. Мотор представляет собой скопление белковых молекул в виде колеса; он способен вращаться со скоростью 250 оборотов в секунду, а топливом ему служат протоны, попадающие внутрь бактериальной клетки через особые поры в этом механизме. Каждый жгутик состоит из одинаковых субъединиц — молекул белка флагеллина, уложенных по спирали вокруг полой сердцевины.

Жгутик E. coli вращается с помощью белкового мотора, вмонтированного в клеточную оболочку

Большую часть времени моторы E. coli вращаются против часовой стрелки; при этом все жгутики скручиваются в единый кабель — жгут, который тянется позади бактерии. Скручиваются они очень аккуратно, потому что каждый жгутик слегка закручен в нужном направлении; они складываются, как полосы на спирально окрашенном столбе. Вращаясь вместе, жгутики отталкиваются от окружающей жидкости и гонят бактерию вперед.

E. coli способна проплыть за секунду расстояние, в десять раз превышающее длинуее тела. Отметим, что самый быстрый пловец — человек проплывает за секунду всего лишь две своих длины. А ведь E. coli приходится преодолевать дополнительные трудности, потому что в микромире вода ведет себя совершенно иначе с точки зрения физических законов, чем в нашем привычном мире. E. coli вода представляется вязкой, как нефть. Прекратив усилия, она останавливается за миллионную долю секунды. Никакой инерции, никакого движения вперед. E. coli останавливается не то что на том же шаге, но буквально на том же атоме.

Примерно раз в секунду E. coli переводит свои моторы на реверсивный ход и совершает кульбит. Когда моторы вращаются по часовой стрелке, жгутики уже не могут удобно свернуться спиралью. Теперь спиральный изгиб, наоборот, заставляет их растопыриться и, образно говоря, встать дыбом. Такой кульбит длится около десятой доли секунды, затем E. coli вновь меняет направление вращения своего мотора на первоначальное — по часовой стрелке. Жгутики вновь удобно сворачиваются, и бактерия плывет дальше.

Первым ученым, кто как следует изучил механизм движения E. coli, стал Говард Берг, биофизик из Гарварда. В начале 1970–х гг. Берг построил микроскоп, способный отслеживать движение единичной E. coli в капле воды. После каждого кульбита ориентация тела и, соответственно, направление движения палочки менялись случайным образом. Берг зарисовал траекторию движения одного микроорганизма в течение нескольких минут и получил на листе каляку — маляку; наверное, так мог бы выглядеть клубок пряжи в невесомости. Непрерывно работая жгутиком, E. coli все это время оставалась в пределах крошечного пространства и никуда особенно не продвигалась.

Но стоит бактерии почувствовать чтото интересное, как она устремится в заданном направлении. Способность E. coli ориентироваться в пространстве достойна удивления — ведь у нее так мало возможностей. У нее нет ни колес, ни крыльев; все, что она способна делать, — это плыть прямо или кувыркаться. К тому же она получает так мало информации об окружающей среде! E. coli не может воспользоваться атласом, посмотреть или прислушаться; она способна лишь почувствовать молекулы, на которые случайно наткнулась в своих странствиях. Зато уж эти ограниченные возможности бактерия использует на полную катушку. Опираясь на несколько простых и элегантных правил, E. coli всегда попадает туда, куда ей нужно попасть.

У E. coli есть мембранные рецепторы, внешние концы которых торчат наружу, как перископы у подводной лодки. На переднем конце бактерии сосредоточено несколько тысяч таких рецепторов; они служат ей в качестве своеобразного «языка». Эти рецепторы делятся на пять разных типов, каждый из которых связывает определенные молекулы. Некоторые молекулы привлекают E. coli, другие внушают отвращение. Привлекательная молекула (например, аминокислота серин) запускает внутри микроорганизма последовательность химических реакций с простым результатом: E. coli увеличивает промежуток направленного движения между кульбитами. До тех пор пока концентрация серина в окружающей жидкости растет, E. coli продолжает делать более длинные заплывы и реже менять направление. Если очередной кульбит направит бактерию прочь от источника серина, участки ее прямолинейного движения сразу же станут короче. Этого простого принципа достаточно, чтобы E. coli медленно, но верно продвигалась к точке максимальной концентрации серина. Добравшись до места, она там и остается, вновь вернувшись к бесцельному кувырканию.

Ученые начали разбираться в способе восприятия и движения E. coli в 1960–е гг. Этот микроорганизм был выбран изза своей простоты: исследователям казалось, что и разобраться в нем будет несложно. В конце концов, работу белков в лабораториях мира уже 20 лет изучали на всевозможных мутантных штаммах E. coli. А разобравшись с обработкой информации у E. coli, можно будет переходить к более сложным системам обработки информации, включая и человеческий мозг. Сегодня, более 40 лет спустя, ученые понимают сигнальную систему E. coli лучше, чем любого другого биологического вида, но эта работа еще далеко не закончена. Некоторые части этой системы действительно оказались несложными. Так, E. coli не нужно рассчитывать фигуры высшего пилотажа, всякие бочки и штопоры. Ее простая стратегия (движение — кульбит) работает очень хорошо. Может быть, не каждая кишечная палочка попадет в точности туда, куда ей нужно, но многие попадут — и именно эти микроорганизмы выживут и оставят потомство (а значит, передадут отпрыскам стратегию движение — кульбит). Это все, что на самом деле нужно бактерии.

Тем не менее некоторые важные аспекты навигационной системы E. coli пока не поддаются расшифровке. «Язык» микроорганизма способен различать крохотную разницу в концентрации интересующих E. coli молекул — вплоть до одной тысячной. Бактерия умеет усиливать сигналы — каким образом, ученые до сих пор не поняли. Возможно, рецепторы E. coli работают согласованно: один из них, поворачиваясь, заставляет повернуться и соседние. Не исключено, что бактерия умеет анализировать одновременно различные потоки информации: ага, концентрация кислорода быстро растет, никеля — снижается, чуть потянуло глюкозой. Вообще, со временем может оказаться, что набор рецепторов у E. coli — не просто своеобразный бактериальный «язык»; может быть, лучше было бы назвать его мозгом.

Миф о спутанных макаронах

Сложный чувствительный «язык» E. coli не слишком хорошо согласуется с традиционными представлениями о бактериях как примитивных и простых существах. Еще в середине XX в. бактерии сохраняли репутацию примитивных живых организмов, реликтов ранних этапов эволюции жизни. Считалось, что это всего лишь мешочки с ферментами и некоторым количеством ДНК, плавающей внутри подобно комку спутанных макарон. Их противопоставляли так называемым «высшим» организмам (животным, растениям, грибам), клетки которых удивительно организованы — ДНК в них аккуратно намотана на белковые катушки (каждая молекула ДНК намотана на множество маленьких катушек) и скомпонована в хромосомы, а хромосомы заключены в ядро. В этих клетках есть и другие отделы со своими функциями, такими как производство энергии или внесение последних штрихов при строительстве белковых молекул. Кроме того, эти клетки обладают собственным скелетом, состоящим из сети перекрещивающихся волокон.

Контраст между двумя видами клеток — неупорядоченными и хорошо организованными — был так силен, что в середине 1900–х гг. ученые именно по этому признаку разделили живые организмы на две большие группы. Все биологические виды, в клетках которых имеются ядра, стали называть эукариотами, что в переводе с греческого означает «истинное ядро». Все остальные виды, включая E. coli, назвали прокариотами. Подразумевалось, что до появления настоящего ядра существовали только прокариоты — примитивные и неорганизованные, а эукариот эволюция создала позже, привнеся тем самым порядок в окружающий нас мир.

Надо сказать, что такой подход несет в себе зерно истины. Общий предок всех живых организмов почти наверняка не имел клеточного ядра и, вероятно, выглядел примерно как сегодняшние прокариоты. Эукариоты отделились от прокариот более 3 млрд лет назад, но ядро и остальные отличительные признаки приобрели позже. Однако на самом деле разница между прокариотами и эукариотами не так велика, как представляется на первый взгляд. Просто организованность эукариот бросается в глаза. В человеческой клетке можно без труда увидеть хромосомы, замысловатые изгибы аппарата Гольджи и похожие на сардельки митохондрии. География такой клетки очевидна. Но оказывается, у прокариот тоже есть своя география. Они содержат молекулы в строгом порядке, но ученые лишь недавно начали потихоньку узнавать этот тайный порядок.

И, как обычно, многие открытия связаны с E. coli. Кишечной палочке и другим микроорганизмам, чтоы выжить, необходимо решить множество сложнейших проблем, но самая серьезная из них — поддержание порядка в собственной ДНК. Дело в том, что хромосома E. coli в тысячу раз длиннее самой бактерии. Если просто засунуть ее внутрь бактерии, то двойная спираль молекулы ДНК скрутится в кошмарный клубок, как спутанная бечевка. Ферменты, считывающие гены, не смогут разобраться в такой путанице, не найдут там ни начала, ни конца. Они даже не смогут связаться с цепочкой ДНК для производства новых белков.

Существует и другая причина, по которой E. coli должна уделять своей ДНК особое внимание: эта молекула очень уязвима. Когда бактерия превращает пищу в энергию, среди отходов встречаются и заряженные атомы, которые вполне способны столкнуться с ДНК и выбить кусочек, оставив разрыв в одной из нитей. В образовавшийся разрыв притягиваются молекулы воды, которые, в свою очередь, могут разрушить связи между двумя нитями и разделить молекулу надвое, как застежку — молнию.

Лишь сравнительно недавно ученые начали понимать, как организована ДНК E. coli. Эксперименты показали, что ее хромосома свернута в сотни петель и скреплена при помощи особых белковых структур, которые работают наподобие «прищепок». Каждая петля закручена сама на себя, но «прищепки» не дают скрутиться остальной части хромосомы. Когда у E. coli возникает необходимость прочесть какойто конкретный ген, к нужному участку направляется группа белковых молекул. Одни белки разделяют нити ДНК, позволяя другим пройти вдоль одной из нитей и синтезировать РНК — копию гена. Третьи при этом удерживают каждую из нитей и не дают им скрутиться и спутаться во время копирования. Как только молекула РНК синтезирована, нити ДНК вновь смыкаются.

При размножении E. coli сталкивается с куда более серьезными проблемами. При делении бактерия должна создать копию своей ДНК — реплицировать ее, после чего получившиеся хромосомы расходятся в разные концы клетки, — и разделиться на две дочерние клетки. E. coli способна проделать все перечисленное с идеальной точностью всего за 20 минут.

Первый шаг в создании новой E. coli — копирование более чем миллиона пар нуклеотидов, составляющих молекулу ДНК, — начинается, когда два десятка различных ферментов сходятся к одной точке хромосомы бактерии. Одни ферменты разделяют на небольшом участке нити ДНК, другие не дают им вновь соединиться, пока репликация этого участка не закончится. Две группы ферментов[8] начинают двигаться вдоль каждой нити, строя рядом со старой новую, с комплементарными нуклеотидами. Сзади них нити ДНК вновь смыкаются. Такая группа может достраивать к нити ДНК около 1500 новых нуклеотидов в секунду. Время от времени на пути группы встречаются «прищепки», которые удерживают нить и не дают ей скручиваться. Ученые подозревают, что каждая «прищепка» должна какимто образом раскрыться, чтобы пропустить через себя группу реплицирующих ферментов, а затем сомкнуться вновь. Иногда ферменты, участвующие в репликации ДНК, встречаются с другой группой ферментов[9], занятой синтезом РНК для производства белков, и вынуждены ждать, пока процесс будет закончен. Лишь после этого они возобновляют свою работу. Несмотря на все препятствия, группы ферментов, синтезирующие ДНК, работают не только быстро, но и необычайно точно. Допустимое для них число ошибок чрезвычайно мало.

Ферменты копируют ДНК, и постепенно на месте одной появляется две хромосомы. Формирующиеся молекулы все время остаются связанными, как звенья одной цепочки. Потом специальный фермент[10] разъединяет кольцевые хромосомы, которые сразу же начинают расходиться в разные концы клетки. Ученые сегодня много знают о том, как у E. coli происходит репликация ДНК, но по — прежнему не пришли к единому мнению по поводу того, каким образом двигаются ее хромосомы. В последнее время показано, что это активный процесс, в котором принимают участие несколько групп специальных белков. После расхождения хромосом E. coli может начать процесс деления клетки.

Следует заметить, что бактерия должна разделиться очень точно как в пространстве, так и во времени. Если начать процесс деления прежде, чем разойдутся хромосомы, ДНК тоже окажется разделена. Если деление произойдет слишком близко к какомуто из концов, то один потомок E. coli окажется обладателем пары хромосом, а второму хромосом вообще не достанется. Подобных катастроф практически не случается. E. coli, как правило, всегда делится почти точно посередине — и почти всегда в тот момент, когда две только что сформированные хромосомы успели разойтись в разные концы.

Чтобы этот точно выверенный танец прошел без сбоев, нужна согласованная работа нескольких типов белков. Ключевой белок деления у большинства бактерий — белок FtsZ. Когда E. coli готова к делению, происходит полимеризация FtsZ, молекулы которого выстраиваются в кольцо вдоль внутренней цитоплазматической мембраны примерно посередине бактериальной клетки. Кольцо из полимеризовавшегося FtsZ — Z — кольцо — заякоривается на мембране при помощи «вспомогательных» белков и начинает постепенно сжиматься, образуя перетяжку; в результате формируются две дочерние клетки.

Выстраивая кольцо посередине клетки, белок FtsZ не пользуется картой бактерии и не измеряет ее линейкой. Полимеризоваться именно в середине бактериальной клетки FtsZ вынуждают белки системы Min — D, С и Е. Они не дают FtsZ полимеризоваться там, где не надо.

Ингибитором полимеризации FtsZ служит белок MinC. Но активируется он, только связавшись с белком MinD. Белок MinD может прикрепляться к мембране на полюсах клетки, где он полимеризуется и связывается с MinC, что приводит к деполимеризации FtsZ вблизи полюсов клетки. Белок MinE тоже полимеризуется вблизи полюсов клетки в виде так называемого Е — кольца и препятствует формированию комплекса MinD/C. Стоит комплексу MinD/C разрушиться, как MinC инактивируется и не может препятствовать полимеризации FtsZ. Таким образом, MinE препятствует формированию комплекса MinD/C в центральной части. Поэтому только в центральной части клетки у FtsZ есть шанс сформировать кольцо.

Но даже там формирование кольца большую часть времени блокируется хромосомой и сопутствующими ей белками. Только после того, как завершится репликация хромосомы и две ее копии разойдутся из середины клетки к краям, там образуется достаточно свободного места, чтобы молекулы FtsZ могли закрепиться и начать деление микроорганизма надвое.

Может быть, клетка E. coli и не обладает такой очевидной структурой, как клетки эукариот, но своя структура у нее имеется. Это география ритмов, карта течений.

Прыжок с обрыва

E. coli привлекла к себе внимание Теодора Эшериха благодаря быстрому размножению — один — единственный микроорганизм может всего за несколько часов дать обильный, роскошный прирост. Если бы бактерии, открытые Эшерихом, продолжали размножаться такими стремительными темпами, они очень быстро заполнили бы все его колбы сплошной микробной массой. Да что там — за несколько дней они захватили бы всю Землю! Но E. coli поступает иначе. Она замедляет свой рост, а затем, всего через сутки, вообще прекращает размножаться.

Теоретически любой вид живых существ мог бы заполонить собой Землю. Но на практике нам не приходится пробираться через бескрайние леса дождевиков или океаны блох. Экспоненциальный рост численности вида быстро наталкивается на суровую реальность нашего конечного мира. По мере увеличения плотности популяции E. coli бактерии начинают расходовать кислород быстрее, чем он может поступать извне. Токсичные отходы скапливаются в окружающей колонию среде.

Такое столкновение с реальностью может оказаться фатальным. Когда у E. coli заканчиваются необходимые питательные вещества, ее метаболизм начинает сбоить. Рибосомы производят деформированные белки, способные напасть на другие молекулы бктерии. Катастрофические изменения могут охватить весь микроорганизм. Продолжать рост в условиях такого стресса было бы самоубийством — это как, не снижая скорости, гнать машину к обрыву.

Вместо этого E. coli, как разумный водитель, нажимает на тормоза. В течение нескольких секунд она прекращает считывать гены и уничтожает все белки, строительство которых уже началось. Микроорганизм входит в состояние зомби — так называемую стационарную фазу роста. Он начинает производить белки, необходимые для защиты от излишнего тепла, кислот и других поражающих факторов, и одновременно прекращает синтез ферментов, необходимых для питания. Чтобы не пропустить внутрь опасные молекулы, E. coli закрывает в своей мембране большую часть пор, а чтобы защитить ДНК, складывает ее в очень компактную структуру. Все эти приготовления требуют немало энергии, которую бактерия уже не может получить из пищи, поэтому E. coli приходится поедать саму себя, расщепляя богатые энергией молекулы. Она разбирает на части даже некоторое количество рибосом, теряя при этом способность производить новые белки.

Надо сказать, что E. coli при голодании ожидают примерно те же проблемы, с какими по мере старения организма сталкиваются наши собственные клетки. В стареющих человеческих клетках гены и рибосомы получают повреждения, похожие на те, которые встречаются у E. coli, когда у нее заканчиваются питательные вещества. У людей, страдающих болезнью Альцгеймера, в мозгу образуется множество белков, деформированных примерно так же, как у голодающей E. coli. Вообще, жизнь умеет не только расти и размножаться. Помимо этого она увядает и гибнет.

И человек, и бактерия сталкиваются с разрушительным действием времени, но только бактерия умеет выходить из этой схватки победительницей. Если взять единичную E. coli в стационарной фазе и поместить в бутыль со свежим бульоном, она распакует ДНК, синтезирует новые белки и с царственным достоинством возобновит прежнюю жизнь. Можно оставить колонию E. coli в стационарной фазе на пять лет и после этого обнаружить в ней жизнеспособные микроорганизмы. Это мы, люди, никогда не получаем второго шанса.

Однажды в июле 1958 г. Франсуа Жакоб сидел в парижском кинотеатре и изнывал от беспокойства. Его жена Лиз по опыту знала, что у мужа вот — вот родится какаято неожиданная идея. Они вышли из зрительного зала и направились домой.

— Кажется, я только что придумал коечто важное, — сказал Франсуа жене.

— Расскажи! — попросила она.

В тот момент Жакобу, как он позже писал, казалось, что ему удалось добраться «до самой сути вещей». Он вдруг понял, как гены взаимодействуют между собой и как они делают жизнь возможной.

Надо сказать, что Жакоб давно мечтал о подобном озарении. Хирург по образованию, он бежал из Парижа после прихода нацистов и следующие четыре года служил в медицинской роте союзников, участвовал в боях в Северной Африке. Ранение и контузия положили конец его планам стать хирургом, и после войны, вновь оказавшись в Париже, молодой человек просто не знал, как ему распорядиться своей жизнью. Он поступил на работу в лабораторию по разработке антибиотиков и неожиданно почувствовал интерес к научным исследованиям. Но Жакоб хотел не просто найти новое лекарство, он решил посвятить себя изучению «сути жизни». В 1950 г. Жакоб пришел на работу в Институт Пастера и присоединился к команде биологов, упорно работавших в мансарде института с E. coli и другими бактериями.

Жакоб пришел в науку, не имея собственного плана исследований, но в конце концов он занялся двумя кусочками глобальной биологической головоломки: вопросом о том, почему гены иногда активны, а иногда нет. Несколько лет Жакоб изучал умеренных бактериофагов — вирусы, которые умеют «растворяться» в клетке хозяина — бактерии, а потом, спустя несколько поколений, появляться вновь. Вместе с Эли Вольман Жакоб продемонстрировал, что такие бактериофаги на самом деле встраивают свои гены в ДНК E. coli. Ученые позволяли инфицированным бактериофагами бактериям вступить в конъюгацию с неинфицированными, а затем их разделяли. Если конъюгация прекращалась слишком быстро, передачи профага[11] не происходило. Эксперименты показали, что профаг стабильно встраивается в одно и то же место хромосомы E. coli. Гены вируса уютно устраивались между генами клетки — хозяина и «молчали» в течение нескольких поколений.

E. coli предоставила Жакобу еще одну возможность изучить гены, которые иногда работают, а иногда нет. Чтобы утилизировать определенный вид сахара, E. coli необходимо производить определенные ферменты. Так, чтобы расщеплять лактозу, бактерии необходим фермент бета — галактозидаза, способный разрезать молекулу лактозы на кусочки. Коллега Жакоба по Институту Пастера Жак Моно обнаружил, что, если давать E. coli глюкозу (а это гораздо более эффективный источник энергии для бактерии, чем лактоза), она производит бета — галактозидазу в очень малых количествах. Если добавить в питательную среду лактозу, производство фермента увеличится незначительно. Только после того, как глюкоза закончится, синтез бета — галактозидазы начнется всерьез.

Никто в то время не мог вразумительно объяснить, как гены E. coli или ее профагов могут то включаться, то выключаться. Прежде многие ученые считали, что синтез белков в клетке идет постоянно и непрерывно. Чтобы объяснить реакцию E. coli на лактозу, они выдвинули предположение, что на самом деле бактерия вырабатывает бета — галактозидазу постоянно, но только при реальном контакте с лактозой фермент меняет форму и приходит в то состояние, которое позволяет ему ее расщеплять.

Стремясь выяснить, что происходит на самом деле, Моно, Жакоб и их коллеги из Института Пастера начали серию экспериментов. Они выделили мутантные формы E. coli, которые по какимто причинам не могли утилизировать лактозу. К примеру, один из мутантов не расщеплял лактозу, хотя у него присутствовал нормальный ген, отвечающий за производство бета — галактозидазы. Ученые поняли, что E. coli использует для утилизации лактозы несколько генов. Один из них кодирует образование белка пермеазы, который встраивается в мембрану микроба, соединяется с молекулой лактозы и переносит ее внутрь клетки.

Но самыми странными среди обнаруженных мутантных форм оказались бактерии, которые производили бета — галактозидазу и пермеазу непрерывно, вне зависимости от того, имелась ли в окружающей питательной среде лактоза. Стало ясно, что у E. coli есть еще какаято молекула, которая в обычных условиях не допускает активации генов, отвечающих за производство бета — галактозидазы и пермеазы. Этот белок ученые назвали репрессором. Но Жакоб и его коллеги ничего не могли сказать о том, каким образом репрессор подавляет работу генов.

И вот в темном зале кинотеатра Жакоба осенило. Репрессор, решил он, — это белок, который связывается с ДНК E. coli и блокирует считывание соответствующих генов (в данном случае генов бета — галактозидазы и других, отвечающих за расщепление лактозы). По определенному сигналу, как по щелчку выключателя, репрессор прекращает блокировать гены.

Возможно, подумал Жакоб, профаги тоже блокируются какимнибудь репрессором. Не исключено, что эта система универсальна и работает во всех живых организмах. «Я больше не чувствую себя посредственностью и даже смертным», — писал Жакоб.

Но попытка рассказать в общих чертах о новых идеях жене принесла одно только разочарование.

— Ты мне уже об этом рассказывал, — сказала Лиз. — Это же давно известно, разве не так?

Идея Жакоба была настолько проста и элегантна, что любому человеку, не связанному с биологией, казалась самоочевидной. Тем не менее она представляла новый подход к проблеме жизни. Гены работают не по одному, а блоками.

Следующие несколько недель Жакоб пытался обсудить свои новые идеи с коллегам — биологами, но особого интереса вызвать не сумел. Благодарный слушатель у него появился только осенью, когда в Париж вернулся Моно. Вдвоем они начали рисовать на доске блок — схемы генетического механизма, обозначать стрелками входы и выходы.

Осенью 1958 г. Моно и Жакоб запустили новую серию экспериментов для проверки гипотезы Жакоба. Эксперименты дали ожидаемый результат. Но для подробного изучения работы генов, отвечающих за утилизацию лактозы, потребовались годы труда множества ученых. Оказалось, что эти гены располагаются на хромосоме E. coli общим кластером, один за другим. Белок — репрессор связывается со специальным участком ДНК в начале группы генов и блокирует работу ферментов, считывающих их. Когда репрессор связан с этим участком, E. coli не может использовать лактозу в качестве источника питания.

Лучший способ удалить репрессор, блокирующий работу генов, отвечающих за расщепление лактозы, заключается в том, чтобы добавить ее в питательную среду, на которой растут колонии E. coli. Попав внутрь бактериальной клетки, молекулы лактозы взаимодействуют с закрепившимся на хромосоме белком — репрессором. Они изменяют его форму так, что он теряет сродство к соответствующему участку ДНК, открывая доступ ферментам РНК — полимеразам, считывающим гены, которые участвуют в метаболизме лактозы. В результате E. coli получает возможность синтезировать ферменты, необходимые для утилизации лактозы.

Но E. coli нужен второй сигнал, чтобы запустить производство бета — галактозидазы на полную мощность: бактерии необходимо знать, что запасы глюкозы исчерпались. Таким сигналом служит комплекс двух молекул — циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и белка под названием САР. В бактериальной клетке происходит накопление цАМФ, когда сильно падает уровень глюкозы.

САР связывается с цАМФ, и получившийся комплекс прикрепляется к ДНК перед генами, отвечающими за метаболизм лактозы. Этот комплекс изгибает ДНК и тем самым облегчает связывание с ней фермента РНК — полимеразы, осуществляющей считывание генов, — в результате начинается синтез РНК на матрице ДНК. Стоит комплексу цАМФ — САР связаться с ДНК, как производство ферментов, участвующих в метаболизме лактозы, разворачивается полным ходом. Получается, что репрессор выключает, а комплекс цАМФ — САР включает этот процесс.

Жакоб с коллегами окрестили гены, отвечающие за расщепление лактозы, опероном lac. Оперон — это группа функционально связанных генов, которые регулируются одними и теми же факторами. Жакоб подозревал, что опероны олицетворяют общий принцип работы генов. Сотни генов E. coli объединены в опероны, каждым из которых управляют собственные переключатели. У некоторых оперонов переключателей несколько, и для запуска производства белков все они должны сработать. Иногда одного — единственного белка оказывается достаточно, чтобы запустить целый каскад реакций, включить гены, отвечающие за производство еще какихнибудь переключателей, и в конечном итоге позволить E. coli изготовить сотни новых типов белков.

Вообще, включатели и выключатели встречаются в природе повсеместно. Профаги спят внутри бактерии благодаря репрессорам, которые не позволяют их генам активироваться. При воздействии стрессовых факторов репрессоры освобождают ДНК, и профаги начинают производство новых вирусов. Опероны можно обнаружить и в других бактериях. В клетках животных, таких как мы с вами, опероны, судя по всему, встречаются гораздо реже. Но даже гены, расположенные в нашем геноме не по соседству друг с другом, иногда включаются в результате действия одного и того же регуляторного белка.

Только за счет включения и выключения генов наши клетки могут вести себя по — разному — ведь геном во всех клетках организма одинаковый. Этот механизм дает им возможность стать клетками печени или частью кости, обрести чувствительность к свету или теплу. Выяснив, как E. coli пьет молоко, Жакоб и его коллеги открыли путь к пониманию того, почему мы с вами люди, а не просто амебы.

Живые схемы

Для инженера схема — это совокупность проводов, резисторов и других электронных компонентов, организованных таким образом, чтобы получить из входного сигнала выходной. Счетчик Гейгера, зарегистрировав пролетающую через него радиоактивную частицу, производит щелчок. Нажатие на клавишу выключателя погружает комнату в темноту. Гены работают в соответствии с той же логикой. У генетической схемы тоже есть входы и выходы. Lac — оперон срабатывает лишь при получении на вход двух сигналов: сигнала о том, что у E. coli закончилась глюкоза, и сигнала о наличии лактозы. На выходе этой схемы — белки, необходимые E. coli для расщепления лактозы.

У E. coli нет проводов, которые ученые могли бы разомкнуть, чтобы посмотреть, как работают ее схемы. Вместо этого им приходится ставить эксперименты вроде тех, что проводили Моно и Жакоб. Экспериментаторы наблюдают, как быстро микроорганизмы откликаются на изменение окружающей среды, с какой скоростью они способны произвести тот или иной белок или, наоборот, избавиться от него. Они объединяют результаты множества экспериментов в модели и с их помощью предсказывают, как поведет себя E. coli в следующем эксперименте. Фундаментальные открытия, сделанные Моно, Жакобом и их коллегами на E. coli, позволили другим ученым разобраться в схемах разных видов, в том числе и нашего. Но в течение всех 50 лет, что прошли с того памятного вечера в кинотеатре, исследователи продолжали всерьез изучать E. coli. Им удалось обнаружить в генетическом аппарате бактерии интереснейшие структуры, а позже составить его карту — самую подробную из всех обитающих на Земле видов живых существ; попутно выяснилось, что генетические схемы во многом напоминают схемы электронные, которые сегодня можно обнаружить в цифровых камерах или спутниковых радиоприемниках.

Чтобы доказать, что это не пустое сравнение, я хочу разобрать работу всего лишь одной из множества схем E. coli. Эта схема управляет биосинтезом и сборкой жгутиков. Ученые потратили немало лет на то, чтобы выяснить, какие гены в нее входят. А в 2005 г. Ури Алон и его коллеги из Института Вейцмана определили наконец, что эта схема делает. Она работает как противопомеховый фильтр.

Инженеры используют подобные фильтры для блокирования атмосферных помех в телефонных линиях, борьбы с размыванием изображений и другими внешними воздействиями, затрудняющими прием сигнала. В случае E. coli в роли помех выступает лишняя, несущественная информация об окружающей среде, а противопомеховый фильтр позволяет бактерии обращать внимание только на те факторы, которые имеют принципиальное значение. Для E. coli при сборке жгутика крайне важно отсекать помехи, потому что его сооружение во многом напоминает строительство собора.

Бактерия должна включить около 50 генов, синтезирующих десятки тысяч белков, причем белки эти синтезируются и действуют в строго согласованном порядке. Сначала мотор встраивается в клеточную оболочку. Затем стержень с центральным каналом, работающий наподобие шприца, пройдя сквозь центр мотора, выталкивает наружу тысячи белковых молекул. Белки проходят через полую трубочку и появляются с другой стороны, наращивая жгутик. Весь процесс занимает один — два часа, что для E. coli может означать несколько поколений. При делении клетки новая бактерия наследует частично выстроенный жгутик и передает его, по — прежнему в незавершенном виде, своим потомкам.

К моменту окончания синтеза жгутиков проблема, заставившая микроорганизм отращивать их, может разрешиться сама собой. Вся затраченная на эту работу энергия пропадает впустую. Поэтому E. coli внимательно следит за тем, что происходит вокруг, и как только дела начинают идти на лад, останавливает сборку жгутика. Единственная причина, изза которой эта стратегия способна привести к неудаче, заключается в том, что наступление лучших времен может обернуться мимолетным миражом. Если E. coli прекратит борку жгутика при первом проблеске надежды — скажем, случайно проплывающей мимо молекулы кислорода, — она может застрять там, где ее жизни грозит опасность. Такие сигналы играют для E. coli роль помех, которые она должна отсекать.

Чтобы объяснить, как E. coli отфильтровывает из сигнала помехи, я нарисую блок — схему соответствующей системы. Стрелка со знаком «плюс» означает, что данный сигнал или ген стимулирует активность другого гена.

Знак «минус» означает, что ген подавлен. Первая стрелка на этой схеме ведет из внешнего мира внутрь клетки E. coli. Почувствовав, что условия окружающей среды стали неблагоприятными, бактерия в некоторых случаях производит в ответ белки FlhD и FlhC, которые формируют тетрамерный комплекс, состоящий из двух молекул FlhD и двух молекул FlhC.

Этот комплекс — один из главных переключателей E. coli. Он способен закрепляться в разных местах бактериальной хромосомы и включать разные гены, которые отвечают за производство многих белков, необходимых для синтеза жгутика.

Именно здесь кроется основной недостаток механизма, отвечающего за синтез жгутика. В ответ на стрессовое воздействие этот механизм может включить соответствующие гены, но ему же придется их выключать, когда кризис завершится. Без воздействия стрессового фактора бактерия прекращает производить новые молекулы FlhD/FlhC. Старые молекулы постепенно исчезают, и контролируемые FlhD/FlhC гены теряют способность производить свои белки. В результате сложный процесс синтеза жгутика начинает давать сбои и вообще прекращается при малейшем, хотя и недолгом, улучшении ситуации. Когда же условия вновь ухудшатся, бактерии придется паскочегапивать свою жгутикостпоительную машину практически с нуля. Понятно, что в критических обстоятельствах любая задержка может оказаться фатальной.

На самом деле E. coli не страдает и не гибнет от ложных сигналов тревоги, потому что в ее генетическом аппарате имеются дополнительные системы регуляции. При включении генов, отвечающих за синтез жгутика, комплекс FlhD/FlhC запускает резервный ген fliA.

Кодируемый им белок FliA тоже может включать гены, отвечающие за синтез жгутика.

Но fliA, помимо всего прочего, находится под контролем еще одного белка, получившего название FlgM. Этот белок захватывает молекулы белка FliA сразу же, как только E. coli их синтезирует, и не позволяет им включать гены синтеза жгутика. Вот как выглядит схема с участием FlgM:

Однако FlgM не способен долго подавлять работу fliA, потому что E. coli выбрасывает его наружу через ту же шприцеподобную структуру, через которую подается строительный материал для жгутика. По мере того как число молекул FlgM снижается, высвобождается все больше молекул белка FliA, которые начинают включать гены синтеза жгутика один за другим.

Вот, наконец, полная схема противопомехового фильтра E. coli, составленная Алоном и его коллегами:

Этот элегантный генетический механизм делает E. coli царицей в лучшем из миров. В начале процесса синтеза жгутика бактерия сохраняет высочайшую чувствительность к любым признакам улучшения ситуации, потому что за работу соответствующих генов в этот момент отвечает только FlhD/FlhC. Но когда «шприц» построен и E. coli начинает выкачивать FlgM наружу, в дело вступает противопомеховый фильтр. Если теперь стрессовые факторы ослабевают, снижается и уровень FlhD/FlhC. Но к этому моменту E. coli уже успевает выработать достаточное количество свободных молекул белка FliA, чтобы удерживать гены синтеза жгутика в рабочем состоянии более часа. Затем, если улучшение ситуации окажется временным, E. coli возобновит производство FlhD/FlhC, и синтез жгутика продолжится без сбоев.

E. coli способна отфильтровывать помехи и шум, но она отнюдь не глуха. Если обстановка значительно улучшится, бактерия прекратит синтез жгутика. Дело в том, что запаса FliA надолго не хватит. Молекулы белка одна за другой получают повреждения, и молекулярные мусорщики E. coli их уничтожают. Если стрессовое воздействие не возобновится в течение определенного времени, запасы белка FliA закончится и схема перестанет действовать. Видно, и правда вернулись сытые времена, и пора отказаться от строительства бесполезного жгутика.

Сейчас ученые пытаются разобраться в генетических схемах других биологических видов так же тщательно, как Алон и его коллеги разобрались в схемах E. coli. Но этот процесс займет немало времени. Знаний ученых о том, как работают в этих схемах гены и белки, пока недостаточно, чтобы строить хорошие, достоверные модели. Во многих случаях нам известно лишь, что ген А включает гены В и С; мы не представляем, что заставляет его «щелкать выключателем» и что происходит после этого.